Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследований
Автор: П. А. Архипов, А. В. Колычев, М. В. Чернышов, В. А. Керножицкий
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 4, 2023 года.
Бесплатный доступ
Целью данной статьи является обзор текущего состояния исследований в области термоэмиссионного охлаждения и освещение их потенциальных применений в астронавтике и ракетостроении, особенно для космических аппаратов многоразового использования и высокоскоростных самолетов. В статье обобщены результаты работы исследовательских групп из нескольких университетов России, США и Китая. В ней рассматриваются теоретические модели и экспериментальные разработки технологии термоэмиссионного охлаждения, без углубления в подробные методологии. Основные исследования в этой области проводятся командами из университетов Мичигана, Колорадо, Вермонта и Техаса в США при активной поддержке корпорации Lockheed Martin. В данных университетах уже активно производятся экспериментальные исследования данной технологии. Более того, уже полученные результаты хорошо коррелируют с результатами теоретической проработки, из чего можно сделать вывод о перспективности исследований. Эффект термоэлектронной эмиссии дает возможность снизить температуру передних кромок аппаратов, что особенно актуально для космических аппаратов многоразового использования и беспилотных миссий, где поддержание оптимальной температуры компонентов становится ключевым фактором срока службы и надежности системы.
Термоэмиссионное охлаждение, термоэлектронная эмиссия, тепловые нагрузки, многоразовые космические аппараты
Короткий адрес: https://sciup.org/14128597
IDR: 14128597 | DOI: 10.26732/j.st.2023.4.01
Список литературы Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследований
- Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Глава 10. Физические основы эмиссионной электроники // Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа, 1982. С. 434–435. 608 с.
- Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974.
- Нейланд В.Я., Тумин А.М. Аэротермодинамика воздушно-космических самолетов. Конспект лекций. Жуковский: ФАЛТ МФТИ, 1991.
- Колычев А.В., Керножицкий В.А. Тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) с использованием явления термоэлектронной эмиссии // Решетневские чтения. 2009. Т. 1. № 13. С. 29–30.
- Керножицкий В.А., Колычев А.В. Концепция развития методов и средств преодоления теплового барьера // Информация и космос. 2011. № 2. С. 50–53.
- Колычев А.В. и др. О влиянии термоэмиссионного охлаждения на КПД газотурбинной энергетической установки // Проблемы региональной энергетики. 2020. № 4 (48). С. 45–57.
- Архипов П.А., Колычев А.В., Керножицкий В.А. Термоэмиссионное охлаждение элементов высокоскоростных летательных аппаратов с учетом ограничения пространственным зарядом // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 1. С. 105–116.
- Подкульский С.П., Уилсон В.С. Работа термоэлектронного преобразователя с /112/на/114/ориентированным вольфрамовым излучателем и ниобиевым коллектором в присутствии кислорода. НАСА, 1970 год. Номер GESP?9006.
- Ефимов К.Н. и др. Моделирование системы тепловой защиты на основе термоэмиссионной технологии // Журнал теплофизики и теплопередачи. 2020. Т. 34. № 3. С. 548–555.
- Зимин В.П., Ефимов К.Н., Керножицкий В.А., Колычев А.В., Овчинников В.А., Якимов А.С. Моделирование системы тепловой защиты, основанной на термоэмиссионной технологии // Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 21. № 2. С. 227–240.
- Ефимов К.Н., Колычев А.В., Керножицкий В.А., Овчинников В.А., Якимов А.С. Моделирование термоэлектронной тепловой защиты при обтекании сверхзвуковым потоком воздуха сферически затупленного конуса // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59. № 3. С. 432–442.
- Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Математическое моделирование активной термоэмиссионной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании оболочки // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 3. С. 517–528.
- Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Численное моделирование активной термоэмиссионной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании многослойной оболочки // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 6. С. 898–906.
- Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Численное моделирование термоэлектронной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании многослойной оболочки // Инженерно-физический журнал. 2022. Т. 95. № 2. С. 335–349.
- Зимин В.П. и др. Моделирование термоэмиссионной тепловой защиты при конвективном нагреве составной оболочки // Космическая техника и технологии. 2019. № 1 (24). С. 23–34.
- Алкандри Х., Ханквист К., Бойд И.Д. Концептуальный анализ охлаждения электронным излучением передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов // 11-я совместная конференция AIAA/ASME по теплофизике и теплопередаче. 2014. С. 2674.
- Ханквист К.М., Хара К., Бойд И.Д. Детальное моделирование электронной эмиссии для испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // Журнал прикладной физики. 2017. Том 121. № 5. С. 053302.
- Ханквист К.М., Алкандри Х., Бойд И.Д. Оценка компьютерного моделирования охлаждения транспирацией электронов при высоких энтальпиях // Журнал теплофизики и теплопередачи. 2017. Том 31. № 2. С. 283–293.
- Ханквист К.М., Бойд И.Д. Вычислительный анализ электронного испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // 55-е совещание AIAA по аэрокосмическим наукам. 2017. С. 0900.
- Ханквист К.М., Хара К., Бойд И.Д. Моделирование электронного испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // 46-я конференция AIAA по теплофизике. 2016. С. 4433.
- Ханквист К.М., Бойд И.Д. Плазменное охлаждение горячих поверхностей на гиперзвуковых летательных аппаратах // Рубежи физики. 2019. Том 7. С. 9.
- Ханквист К.М., Бойд И.Д. Сравнение расчетов с экспериментами по охлаждению транспирацией электронов при высоких энтальпиях // 45-я конференция AIAA по теплофизике. 2015. С. 2351.
- Ханквист К. Моделирование электронного испарительного охлаждения передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов: канд. дисс. 2017.
- Е.М.Ю., Такамура С. Влияние излучения с ограниченным пространственным зарядом на измерения потенциала плазмы с использованием эмиссионных зондов // Физика. Плазма 7(8), 3457–3463 (2000).
- Такамура С., Оно Н., Йе М.Ю., Кувабара Т. Ток с ограниченным пространственным зарядом от поверхности материала, обращенного к плазме // Сост. Физика плазмы. 44(1–3), 126–137 (2004).
- Кэмпбелл Н.С. и др. Оценка вычислительных моделей для охлаждения электронным испарением // Аэрокосмическая промышленность. 2021. Т. 8. № 9. С. 243.
- Бак Дж. и др. Экспериментальное исследование охлаждения транспирацией электронов с помощью лазерной системы нагрева мощностью 2 кВт // Форум AIAA SCITECH 2022. 2022. С. 0983.
- Пакстон О.Л., Порат Х., Ян И.Х. Экспериментальные результаты эффекта охлаждения транспирацией электронов в расширительном туннеле X2 // Форум AIAA AVIATION 2023. С. 3808.
- Кэмпбелл Н.С. и др. Оценка вычислительных моделей для охлаждения электронным испарением // Аэрокосмическая промышленность. 2021. Т. 8. № 9. С. 243.
- Мейерс Дж. М. и др. Характеристика излучателей LaB 6 в установке с индуктивно связанной плазмой для охлаждения с помощью переноса электронов // Форум AIAA AVIATION 2022. С. 3579.
- Шазот О., Хелбер Б. Тестирование концепции охлаждения электронным испарением в плазменной аэродинамической трубе. Институт фон Кармана, Бельгия, 2017.
- Кюстер А.Э. Обработка электрида майенита и его композитов методом искрового плазменного спекания: кандид. дисс. Университет штата Колорадо, 2019.
- Тан Х. и др. Усиленная термоэлектронная эмиссия композитов на основе электрида майенита в плазме тлеющего разряда Ar // Ceramics International. 2021. Т. 47. № 12. С. 16614–16631.
- Лян У. и др. Внутренние связи между термоэмиссионным охлаждающим эффектом и эмиссионными характеристиками катодов W-La2O3 при высоких температурах // Письма по материалам. 2022. Т. 308. С. 131172.
